鄭曉娟，高華賀，相 軍，于 驍

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300452；2. 大連華銳重工集團股份有限公司 大連 116013)

0 引 言

隨著海洋油氣田開發(fā)、大型海上工程及海洋運輸?shù)犬a(chǎn)業(yè)的興起，以浮式起重機為代表的海洋工程機械朝著全回轉(zhuǎn)、大起重噸位和高速的方向發(fā)展。為了適應(yīng)浮式起重機現(xiàn)場復(fù)雜的工作環(huán)境，提高設(shè)備的安全性及人性化程度，使設(shè)備更好地滿足運行需求，提升操作人員和維護人員的工作效率，開發(fā)浮式起重設(shè)備的智能維護系統(tǒng)尤為必要。

智能維護系統(tǒng)是集信息科學、管理科學、現(xiàn)代通訊技術(shù)和電子計算機技術(shù)于一體的學科，它主要指進行信息的收集、傳送、儲存、反饋和維護功能的集成化系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)處理與管理模式結(jié)合起來，并通過分析歷史數(shù)據(jù)實現(xiàn)預(yù)測、控制、管理及決策等功能，為設(shè)備維護提供強有力的技術(shù)支持，實現(xiàn)全面的科學管理。本文以深水浮式起重機為研究對象，結(jié)合 Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)優(yōu)點，從系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)冗余、通信規(guī)劃等方面對浮式起重機智能維護系統(tǒng)的設(shè)計進行了探討。

1 智能維護系統(tǒng)的基本特點

浮式起重機智能維護系統(tǒng)要實現(xiàn)的目標包括：主副起升監(jiān)控、俯仰監(jiān)控、回轉(zhuǎn)監(jiān)控、穩(wěn)鉤等狀態(tài)監(jiān)控，以及對吊機操作、運行、故障預(yù)警及報警、維護保養(yǎng)等的全記錄，該系統(tǒng)具備如下特點：

① 信息采集的自動化。浮式起重機組成包含了起升絞車、傳動部件、液壓動力站、電氣系統(tǒng)、中控設(shè)備、電滑環(huán)等，系統(tǒng)必須能實時準確地對機、電、液、傳等部分的數(shù)據(jù)進行采集，這些信號包括：A、開關(guān)量方式(機械、電子)，對現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)的點情況的采集；B、模擬量方式(如電流、電壓、溫度、壓力等)，對設(shè)備運行過程的線情況的采集；C、通訊方式(有線通訊與無線通訊)，對設(shè)備運行狀態(tài)與系統(tǒng)管理及數(shù)據(jù)共享的面情況的采集。

② 信息分析的集成化。智能維護系統(tǒng)對信息的分析不再局限于僅對電氣控制系統(tǒng)的分析，可以擴展到多層面、多系統(tǒng)及系統(tǒng)之間的信息分析。如電氣控制系統(tǒng)運行狀況分析，整機安全保護狀態(tài)分析，機械、傳動、液壓等系統(tǒng)運行狀態(tài)與檢修維護的分析，機上管理系統(tǒng)與地面管理系統(tǒng)間數(shù)據(jù)分析等。

③ 信息顯示的人性化。應(yīng)具備可讀性強、操作方便、運行數(shù)據(jù)與狀態(tài)記錄直觀、自動作業(yè)管理快捷等特點，使管理界面更具人性化。

④ 信息處理的實時化。系統(tǒng)可對機電運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控、故障報警和提示、維護檢修提醒、信息記錄與打印作業(yè)及實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸同步等操作。

⑤ 信息傳遞的網(wǎng)絡(luò)化、遠程化。系統(tǒng)可實現(xiàn)管理系統(tǒng)機內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)化、操作站與機上管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)化、企業(yè)級管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)化。

2 浮式起重機智能維護系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 基本結(jié)構(gòu)

鑒于傳統(tǒng)的現(xiàn)場層設(shè)備與控制器之間的通信采用一對一連線方式，傳輸 4-20,mA/24,VDC信號，這種通信技術(shù)信息量有限，難以實現(xiàn)設(shè)備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，從而使自控系統(tǒng)成為吊機中的信息孤島，嚴重制約了浮吊信息集成及其綜合自動化的實現(xiàn)。Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)采用計算機數(shù)字化通信技術(shù)，具有擴展方便、響應(yīng)時間短、抗干擾性強的特點，它能使自控系統(tǒng)與設(shè)備加入船體信息網(wǎng)絡(luò)，成為船體信息網(wǎng)絡(luò)底層，使船體信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到浮吊。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖Fig.1 Network topological graph

根據(jù)以上問題，緊密結(jié)合現(xiàn)場實際情況以及該系統(tǒng)工程對 PLC網(wǎng)絡(luò)的高要求，為使自控系統(tǒng)具備高性能和高安全性，本系統(tǒng)采用基于Profibus總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的合理、簡單和擴展性，設(shè)計拓撲圖如圖1所示。

從圖1的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖可以看出，浮吊控制系統(tǒng)采用了西門子 S7-400,H冗余系列 PLC，下掛 Profibus-DP網(wǎng)，并通過從站ET200,M將輔助機構(gòu)和液壓站控制信號接入控制網(wǎng)絡(luò)，真正實現(xiàn)了“集中管理，分散控制”的目的。同時，全數(shù)字化通信模式的抗干擾能力強、測量控制精確度高，借助數(shù)字雙向傳輸?shù)奶攸c和先進的設(shè)備管理軟件，可實現(xiàn)參數(shù)遠程設(shè)定，采集豐富的儀表信息，有利于設(shè)備故障診斷，改善管理狀況。通過工業(yè)以太網(wǎng)與基礎(chǔ)級的 PLC相連，并依靠控制模型和數(shù)據(jù)庫對控制系統(tǒng)實施指導(dǎo)、管理和跟蹤。WinCC人機界面可顯示運行圖、棒圖、趨勢圖、報警、設(shè)定等畫面和圖表，與上位機構(gòu)成了一個集中管理、分散控制的自動控制系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)冗余設(shè)計

圖 2中，箭頭表示為故障 CPU，需要使用一個PLC的DQ點通過繼電器來控制兩個中繼器的供電，HMI連接到哪個CPU上是由中繼器的電源切換來決定的。只需要使用一個繼電器，其中一個中繼器的電源接到繼電器的常開點，另一個中繼器的電源接到繼電器的常閉點上，PLC的DQ控制是通過系統(tǒng)功能塊SFC51來讀取冗余系統(tǒng)的系統(tǒng)信息。通過兩個中繼器將操作面板連接到控制器，一個或更多操作面板和每一個 S7-400H的子系統(tǒng)連接到一個單獨的MPI/PROFIBUS段。中繼器用來將其分為多個單獨的段。

圖2 冗余CPU切換示意連接圖Fig.2 Connection diagram of reluctant CPU switchover

S7-400H操作系統(tǒng)進行的兩個子控制器之間的數(shù)據(jù)比較確保了轉(zhuǎn)換后兩個子系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)是相同的。通過操作面板，每一次輸入時，操作系統(tǒng)實際上同時在兩個 S7-400H系統(tǒng)中“分發(fā)”數(shù)據(jù)，電源可以通過“轉(zhuǎn)換開關(guān)”連接到中繼器上去。這就意味著在任意一個時刻只能有一個中繼器和電源相連，可以通過開關(guān)手動轉(zhuǎn)換或者通過數(shù)字輸出依靠CPU自動轉(zhuǎn)換。

2.3 通訊功能

過程或現(xiàn)場通訊(Profibus-DP)用于將執(zhí)行器和傳感器連接到自動化系統(tǒng)、HMI或管理系統(tǒng)。執(zhí)行器和傳感器可經(jīng)過 CPU上的集成接口，或經(jīng)過接口模塊，接口子模板及通訊處理器連接到 Profibus中。當執(zhí)行器和傳感器分布在很大范圍內(nèi)，裝在機器上和設(shè)備內(nèi)(如在現(xiàn)場層)，以及他們在站內(nèi)(如ET200)至少以大于等于 16點輸入、輸出成組組合時采用Profibus DP。

2.4 系統(tǒng)規(guī)劃

該系統(tǒng)的上位機(WinCC操作站)與PLC設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，通過工業(yè)以太網(wǎng)利用光纖切換模塊、WinCC操作站通訊卡、PLC通訊模塊通過TCP/IP協(xié)議來實現(xiàn)連接。主要完成現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的采集線性化與顯示，PLC部分參數(shù)的調(diào)整與修改以及重要數(shù)據(jù)的報警以及網(wǎng)絡(luò)的擴展性等問題的解決。

主站PLC通過IM153-2模塊與從站ET200M之間實現(xiàn)冗余PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)通訊，將現(xiàn)場分布復(fù)雜且繁多的模擬量先采集至現(xiàn)場的從站 ET200M，然后通過一根 DP網(wǎng)線傳送至主站并接受主站的控制信號，這樣大大節(jié)約了現(xiàn)場施工的難度可以縮短施工時間，同時節(jié)約大量電纜和占用主站的模板，可以節(jié)約30%的設(shè)備費用。

由于該系統(tǒng)作為監(jiān)控系統(tǒng)，為了快速準確地把握系統(tǒng)狀態(tài)，在任何情況下都能夠通過智能維護系統(tǒng)簡便快捷地查找到所需要的信息，操作站軟件為WinCC軟件，網(wǎng)絡(luò)平臺為Windows XP，WinCC自帶數(shù)據(jù)庫，并提供監(jiān)控畫面和 PLC組態(tài)工具。S7組態(tài)軟件為 STEP7(5.4SP)，內(nèi)嵌西門子過程設(shè)備管理軟件PDM。

3 結(jié) 論

本文從系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)冗余、通信規(guī)劃等方面對浮式起重機智能維護系統(tǒng)的設(shè)計進行了探討。該系統(tǒng)(見圖 3)實現(xiàn)了機、電、液、傳結(jié)構(gòu)的全面覆蓋，具備良好的人機界面、遠程傳遞、遠程診斷及維護等功能，將有助于故障的系統(tǒng)分析和經(jīng)驗積累，實現(xiàn)實時故障預(yù)警與快速的指揮調(diào)度，減少不必要的人員與時間浪費，大大提高設(shè)備的使用效率；其次可以方便維護保養(yǎng)，提供定期檢修維護信息；再次可以提高管理水平，實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)共享，提高綜合調(diào)度能力與管理水平。

圖3 系統(tǒng)主頁面Fig.3 System homepage

［1］ 西門子. SIMATIC STEP7 V5. 4編程使用手冊[M]. 北京：西門子(中國)有限公司出版，2006.

［2］ 西門子. SIMATIC Factory Automation產(chǎn)品樣本[M].北京：西門子(中國)有限公司出版，2009.

［3］ 吳麒. 自動控制原理與系統(tǒng)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1979.